Stereoselective Metabolism of Omeprazole by Cytochrome P450 2C19 and 3A4: Mechanistic Insights from DFT Study

奥美拉唑 CYP2C19型 细胞色素P450 立体选择性 CYP3A4型 化学 新陈代谢 细胞色素 立体化学 生物化学 药理学 生物 催化作用
作者
Kalyanashis Jana,Tusar Bandyopadhyay,Bishwajit Ganguly
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:122 (22): 5765-5775 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.8b01179
摘要

The efficacy of S-omeprazole as a proton pump inhibitor compared with that of its enantiomer R-omeprazole is studied using density functional theoretical calculations. The pharmacokinetic studies suggest that the efficacy of S-omeprazole presumably depends on metabolic pathway and excretion from the human body. The density functional theory calculations at SMDwater-B3LYP-D3/6-311+G(d,p)/LANL2DZ//B3LYP/6-31G(d)/LANL2DZ with triradicaloid model active species, [Por•+FeIV(SH)O], of CYP2C19 enzyme with high-spin quartet and low-spin doublet states demonstrate C–H bond activation mechanism through a two-state rebound process for the hydroxylation of R-omeprazole and S-omeprazole. The calculated activation free energy barriers for the hydrogen abstraction are 15.7 and 17.5 kcal/mol for R-omeprazole and S-omeprazole, respectively. The hydroxylation of R-omeprazole and S-omeprazole is thermodynamically favored; however, the hydroxylated intermediate of S-omeprazole further disintegrates to metabolite 5-O-desmethylomeprazole with a higher kinetic barrier. We have examined the sulfoxidation of S-omeprazole to omeprazole sulfone metabolite by CYP3A4, and the observed activation free energy barrier is 9.9 kcal/mol. The computational results reveal that CYP2C19 exclusively metabolizes R-omeprazole to hydroxyomeprazole, which is hydrophilic and can easily excrete, whereas CYP3A4 metabolizes S-omeprazole to lipophilic sulfone; hence, the excretion of this metabolite would be relatively slower from the body. The spin density analysis and molecular orbital analysis performed using biorthogonalization calculations indicate that R-omeprazole favors high-spin pathway for metabolism process whereas S-omeprazole prefers the low-spin pathway.
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